光伏生态温棚系统多路输出辅助电源设计

苗风东,邹玉炜

(安阳师范学院 物电学院，河南 安阳455000)

0 引言

光伏生态温棚一体化建设项目是太阳能光伏发电和现代农业种植的有机结合，是新型生态智能农业与绿色电力生产相结合的现代化经营模式，可实现绿色发电、节能环保、利农惠农，经济效益和生态环境同步发展。本文设计的光伏生态温棚系统总体结构图如图1所示，其中光伏发电电源供电系统主电路结构如图2所示。光伏板通过前级DC/DC Boost升压变换器将其输出电压抬升到直流母线所需要的电压，为系统提供所需的直流电压，同时能够实现太阳光伏板的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制；后级DC/AC单相全桥逆变器通过静态开关连接于电网或为交流负载提供电源。

图1 光伏生态大棚系统总体结构图

由于光伏发电系统具有间歇性和随机性等特点，这就要求为系统供电的辅助电源具有较宽的输入电压范围和较小的输出纹波电压。为系统的控制电路、信号采样电路、保护电路以及功率管的驱动电路提供稳定可靠的供电电源，需要设计一款与主电路隔离的多路输出的辅助电源。

可以用作辅助电源的变换器种类很多，其中反激式变换器因具有电路拓扑结构简单、效率高、体积小、可靠性高、多路输入输出隔离以及较强的自动均衡各路输出负载的能力等优点，获得了广泛应用[1-3]。

图2 光伏发电电源供电系统主电路结构图

1 系统各部分辅助电源要求

本系统辅助电源的输入电压通过直流母线获得，通过对系统各部分的具体分析可知，本文设计的目标是完成一个直流输入电压范围为125V～400V，9路不同等级直流输出，输出功率Po=43 W，效率η=80%，最大占空比Dmax=0.47，工作频率fs=40 kHz的单端反激式开关稳压直流电源，具体参数如表1所示。其中-7VD、-7VU、-7VV是为了保证功率开关管安全、可靠的关断而设计。

2 辅助电源电路设计

图3 基于UC3844的光伏发电系统辅助电源原理图

表1 系统各部分对电源的指标要求

图3是基于UC3844的单端反激式光伏发电系统辅助开关电源原理图。UC3844为电流峰值集成控制芯片，外部的电流采样信号通过其电流比较器同相输入端引脚3构成电流反馈控制环。三端可控基准源TL431与线性光耦PC817以及UC3844的引脚1、2构成电压反馈控制环。

2.1 高频变压器的设计[4-5]

1.变压器磁芯的选择

高频变压器作为开关电源的核心组成部分,对电源效率和工作可靠性,以及输出电气性能都起着非常重要的作用。反激式变压器作为变压器使用的同时，又作为储能电感，其设计方法与其他类型的变压器不同。变压器磁芯的选择主要包括磁芯材料、形状、规格、尺寸的选择。高频变压器的磁芯一般用铁氧体制作成EI型或EE型，具有结构绕制方便、漏感很小、耦合性好等优点。

根据高频变压器磁芯有效截面积Ae与最大承载功率Pmax之间的经验公式(1)：

(1)

将变压器的最大承载功率Pmax=43W代入公式(1)，可得高频变压器磁芯有效截面积Ae=98.36mm2，再根据变压器工作频率fs=40 kHz，因此我们选择锰锌铁氧体磁芯EE33，材料为 日本TDK公司的PC40，查变压器手册，其性能如表 2 所示。

依据面积乘积公式(2)对所选的磁芯进行校验。

(2)

其中：Kf中为波形的系数，方波情况下可取0.4；K0为窗口充填系数，通常取0.3；J为电流密度，一般取4A/mm2；Bw为工作磁感应强度，为保证高频变压器在整个工作状态不出现饱和现象以及减少铁心损耗，其取值不宜太大，通常取Bw=(1/3～2/3)Bs即可满足要求，本设计取Bw=0.5Bs，即Bw=260mT。将上述数据代入公式(2)可得到Ap=8613.78mm2。

表2 EI30磁芯性能参数

由表2可知，EE33型磁芯的磁芯面积乘积Ap=15725.2mm2大于公式(2)得到的Ap=8613.78mm2，满足设计要求，故本系统选用EE33型锰锌铁氧体磁芯。

2.变压器原边绕组电感量及匝数的计算

为保证该反激变换器在直流输入电压为125V～400V范围内均能正常工作，则其原边的峰值电流为公式(3)：

(3)

则原边短路时的过载电流为公式(4)：

Is=1.3Ipk=1.3×1.83=2.83(A)

(4)

则变压器原边电感量为公式(5)：

(5)

变压器原边储存的能量为公式(6)：

(6)

则变压器原边安匝为公式(7)：

(7)

则变压器原边匝数为公式(8)：

(8)

3.变压器副边绕组匝数的计算

变压器副边绕组匝数可通过公式(9)计算得到。

(9)

其中U0为副边绕组端电压；UF为输出端整流二极管的正向压降。例如当副边绕组端电压为+5V时的复变绕组匝数为公式(10)：

(10)

4.变压器磁芯气隙的计算

为防止变高频压器出现磁饱和现象以至于损坏功率开关管，设计时通常需要在磁心的两个侧面各留出一定的气隙δ。变压器磁芯选用由锰锌铁氧体PC40材料制成的EE型磁芯，其所需气隙长度δ可通过公式(11)计算得到。

(11)

其中ΔB为工作磁感应强度的变化值，由表2可知,Bw=260mT，剩磁Br=135 mT，则ΔB=Bw-Br=125 mT，代入公式(11)可得高频变压器的磁芯气隙δ=0.3mm。

2.2 变压器原边缓冲保护电路设计[6]

根据反激式变换器的工作机理可知，由于高频变压器存在漏感等因素，在功率开关器件关断的瞬间，在变压器的一次绕组上会产生感应电压和尖峰电压，以上二者与直流电压叠加后很容易损坏功率开关管。故必须增加漏极钳位保护电路，对出现的尖峰电压进行钳位和吸收处理。本系统采用R86、C69、和二极管D103组成RCD缓冲电路，具体参数参见图3所示。

3 实验结果分析

根据以上设计方案，制作了一台9路输出的单端反激式变换器用作3KW光伏发电系统的辅助驱动电源，并进行相关实验测试。图4(a)、(b)分别是输入电压为125V和400V时的功率开关管驱动电压PWM波形图，从图中可以看出，随着输入电压的升高，功率开关管的驱动脉宽变窄，实现了输出电压的稳定闭环控制。

(a)输入电压125V时开关管驱动电压PWM波形图

(b)输入电压400V时开关管驱动电压PWM波形图

图5 反激变换器+5V输出电压波形图

图5为输出电压波形图，由于篇幅限制，只给出了+5V的输出电压波形。从图中可以看出，输出电压纹波<0.5%，满足设计要求。

4 结 语

设计的单端反激变换器辅助电源实现了宽输入范围、多路隔离输出，且具有体积小、可靠性高、输出纹波小等优点。该电源已在光伏发电系统中得到了应用，具有一定的经济实用价值。